Effetto tunnel quantistico: attraversare la barriera

Secondo la fisica classica, per superare una barriera di energia occorre avere almeno l’energia necessaria a scavalcarla. La meccanica quantistica dice qualcosa di sorprendente: una particella può attraversare una barriera anche se non ha l’energia per superarla. È l’effetto tunnel, e ha conseguenze concrete in chimica, soprattutto nelle reazioni che coinvolgono il trasferimento di atomi leggeri come l’idrogeno.

Vediamo che cos’è l’effetto tunnel, da che cosa dipende la sua probabilità, come si manifesta nelle reazioni chimiche e quali fenomeni e tecnologie ne dipendono.

Attraversare la barriera invece di scavalcarla

In meccanica quantistica una particella non è un punto con una posizione netta, ma è descritta da una funzione d’onda che si estende nello spazio. Quando incontra una barriera di energia, la funzione d’onda non si annulla bruscamente: penetra nella barriera e, se questa è abbastanza sottile, emerge dall’altra parte. C’è quindi una probabilità non nulla di trovare la particella oltre la barriera, anche se la sua energia sarebbe classicamente insufficiente: ha «scavato un tunnel» attraverso di essa.

Da che cosa dipende la probabilità

La probabilità di attraversamento non è sempre la stessa: dipende fortemente dalla massa della particella e dalle dimensioni della barriera. È tanto maggiore quanto più la particella è leggera e quanto più la barriera è sottile e bassa. Per questo l’effetto tunnel è importante per particelle leggerissime come l’elettrone e, in chimica, per il nucleo di idrogeno; diventa invece trascurabile per atomi pesanti, che si comportano in modo praticamente classico.

L’effetto tunnel nelle reazioni chimiche

Nelle reazioni che comportano il trasferimento di un atomo di idrogeno, l’effetto tunnel può contribuire in modo significativo alla velocità, permettendo alla reazione di procedere più rapidamente di quanto previsto dal solo superamento termico della barriera. Due segnali rivelano la sua presenza: una curvatura del grafico di Arrhenius alle basse temperature, dove la velocità non diminuisce quanto dovrebbe, e un effetto isotopico molto marcato quando si sostituisce l’idrogeno con il deuterio, più pesante e quindi assai meno incline a fare tunnel.

una particella può attraversare una barriera anche con energia < altezza della barriera  (probabilità maggiore per particelle leggere e barriere sottili)

Reazioni anche a bassissima temperatura

Una conseguenza affascinante è che alcune reazioni possono avvenire anche a temperature estremamente basse, dove l’energia termica sarebbe del tutto insufficiente a superare la barriera. È il caso di certe reazioni che procedono nello spazio interstellare, a temperature vicine allo zero assoluto, grazie proprio all’effetto tunnel. Anche alcuni trasferimenti di idrogeno catalizzati dagli enzimi sembrano sfruttare il tunnel per accelerare reazioni biologiche.

Tunnel oltre la chimica

L’effetto tunnel non riguarda solo le reazioni. È alla base del decadimento radioattivo di tipo alfa, in cui una particella sfugge dal nucleo attraversando una barriera, e del funzionamento del microscopio a effetto tunnel, uno strumento capace di «vedere» i singoli atomi su una superficie misurando la corrente di elettroni che attraversano lo spazio vuoto. È quindi un fenomeno quantistico fondamentale, con ricadute che spaziano dalla fisica nucleare alle nanotecnologie.

Quadro d’insieme

L’effetto tunnel permette a una particella di attraversare una barriera energetica pur senza l’energia per scavalcarla, con probabilità tanto maggiore quanto più la particella è leggera e la barriera sottile. In chimica accelera i trasferimenti di idrogeno, si rivela nella curvatura di Arrhenius e nell’effetto isotopico, e consente reazioni a bassissima temperatura. Oltre la chimica, spiega il decadimento alfa e il microscopio a effetto tunnel.

Domande frequenti

Che cos’è l’effetto tunnel?

È un fenomeno quantistico per cui una particella può attraversare una barriera di energia anche quando la sua energia è inferiore all’altezza della barriera, cosa impossibile secondo la fisica classica. La spiegazione sta nel fatto che la particella è descritta da una funzione d’onda che penetra nella barriera e, se questa è sottile, emerge dall’altra parte: esiste quindi una probabilità non nulla di trovare la particella oltre l’ostacolo.

Da che cosa dipende la probabilità di tunnel?

Soprattutto dalla massa della particella e dalle dimensioni della barriera. La probabilità è tanto maggiore quanto più la particella è leggera e quanto più la barriera è sottile e bassa. Per questo l’effetto tunnel è rilevante per particelle leggerissime come l’elettrone e, nelle reazioni chimiche, per il nucleo di idrogeno, mentre diventa trascurabile per gli atomi pesanti, che si comportano in modo praticamente classico.

Come si manifesta nelle reazioni chimiche?

Soprattutto nelle reazioni con trasferimento di un atomo di idrogeno, dove può accelerare il processo oltre quanto previsto dal solo superamento termico della barriera. Due segnali lo rivelano: la curvatura del grafico di Arrhenius alle basse temperature, dove la velocità non cala quanto dovrebbe, e un effetto isotopico molto marcato sostituendo l’idrogeno con il deuterio, più pesante e quindi molto meno propenso ad attraversare la barriera per tunnel.

Perché alcune reazioni avvengono a temperature bassissime?

Perché l’effetto tunnel offre una via che non richiede di superare la barriera grazie all’energia termica. A temperature vicine allo zero assoluto, dove le molecole avrebbero troppa poca energia per scavalcare la barriera, certe reazioni procedono ugualmente perché le particelle leggere la attraversano per tunnel. È il caso di reazioni osservate nello spazio interstellare e, secondo numerosi studi, di alcuni trasferimenti di idrogeno catalizzati dagli enzimi.

L’effetto tunnel ha applicazioni oltre la chimica?

Sì, molte. È alla base del decadimento radioattivo di tipo alfa, in cui una particella sfugge dal nucleo attraversando una barriera che classicamente non potrebbe superare. È inoltre il principio del microscopio a effetto tunnel, capace di rivelare i singoli atomi su una superficie misurando la corrente di elettroni che attraversano per tunnel lo spazio vuoto tra punta e campione. È quindi un fenomeno fondamentale con ricadute dalla fisica nucleare alle nanotecnologie.